一种异构网络环境下的多尺度动态频谱分配方案组成比例

本发明专利技术涉及一种异构网络环境下的多尺度动态频谱分配(DSA)方案，为解决频谱危机提供了可靠的解决方案。本发明专利技术提出了一个软件定义的异构网络（HetNets）的多尺度DSA框架，在微观尺度上，我们基于实时用户需求制定小时标频谱分配的定价策略。在宏观尺度上，所达到的和所需的平均传输速率之间的差值被用作反馈信号，以便根据业务需求的大时标变化实现小区间频谱协调。接下来，对拟议框架的四种典型应用场景进行阐述，以说明其潜在收益，并通过案例研究验证其可行性。

A Multi-scale Dynamic Spectrum Allocation Scheme in Heterogeneous Networks

【技术实现步骤摘要】
一种异构网络环境下的多尺度动态频谱分配方案
本专利技术属于无线通信领域，具体涉及一种异构网络环境下的多尺度动态频谱分配(DSA)方案，以自适应地匹配频谱资源提供和软件定义的异构网络中的时空变化的业务需求。通过巧妙地管理宏观和微观频谱分配的定价策略，该方案可以支持超密集网络，多址边缘计算，空天地一体化和机器间（M2M）通信等多种应用场景。案例研究中的仿真结果表明，该方案可以有效提高用户满意度，提高网络性能。
技术介绍
近年来，由于物联网应用，增强现实和虚拟现实游戏等新型应用产生的数据流量爆炸性增长，对频谱资源的需求正在迅速增长。另一方面，频谱被认为是稀缺资源。因此，快速增长的数据流量需求与有限的频谱资源之间的差距日益扩大迫使无线服务提供商以更高效的方式利用频谱。由于认知无线电技术的发展，动态频谱分配已被证明是克服频谱短缺的有前途的方法。在大多数国家，无线电频谱一般由行业监管机构或政府管理。在传统的静态频谱分配策略下，每个授权频段被分配给无线服务提供商，然后由其授权用户使用。拥有频谱带的无线服务提供商被称为主要服务提供商，并且具有在某一频谱带上操作的许可证的用户被称为主要用户（PU）。静态频谱分配可能相当低效，因为频谱利用不适应数据业务需求的快速时空变化。结果，一些无线电频谱甚至可能在城市地区被闲置或利用不足，即所谓的频谱空洞或白色空间。通过动态频谱分配的实现，可以感知频谱空洞，并允许未经许可的用户（以下称为次用户（SU））以机会方式利用它，而不会对主要用户产生有害干扰。这样，频谱可以由网络实体本身动态共享，而不涉及调节器，并且可以预期更高效的频谱利用率。特别是，多尺度动态频谱分配方案可以很容易地与新兴的软件定义网络(SDN)架构集成在一起，提供灵活的网络管理，通过将网络控制平面与物理网络拓扑解耦，实现网络可编程性。因此，可以容易地实现一系列网络控制和管理机制（例如，业务管理，功率控制和频谱分配），而不会对物理网络组件进行重大修改。此外，网络组件可以通过集中控制器相互协商，从而可以实时调整控制策略。随着服务供应和物理基础设施的分离，移动虚拟网络运营商可以访问虚拟资源，并在服务级别协议下部署自己的应用程序。然而，在软件定义的异构网络（HetNets）中实现多尺度DSA仍然面临着几个关键的挑战。次用户可以通过损害网络系统从中获益，所以他们总是自私的。如果没有正确的激励机制，次用户的自私行为可能会大大降低频谱利用效率。例如，以自己的方式利用频谱资源的自私次用户可能会导致其他诚实次用户的频谱资源不足。另一种情况是每个自私的次用户只关心自己的利益，增加传输功率，以达到更高的传输速率，从而增加了整个网络的干扰水平。为了提供一个解决方案，定价是一个强大的工具，可以打击用户的不当行为，并分配资源给最重视他们的用户。例如，用户可以根据占用的资源量或者产生的干扰量来计费。精心设计的定价方案可以指导次用户彼此合作，以有效的方式利用稀缺的频谱资源。动态频谱的定价方案可以分为两类：基于优化的定价和基于博弈论的定价。在基于优化的定价中，频谱分配是作为受到某些限制的优化问题来制定的，并且最优定价是作为使目标函数最大化或最小化的解决方案推导出来的。相比较而言，基于博弈论的定价更适合处理不同目标的多个实体之间的频谱分配问题，并且可以为每个实体提供单独优化的解决方案。
技术实现思路
本专利技术中，在研究了软件定义的HetNets环境中上述多尺度DSA方案的最优定价和频谱分配决策的基础上，提出了一个二级服务提供商的定价策略，以动态捕获微型服务提供商在微观层面上的需求，并提供一个反馈机制来调整在宏观层面上从主要服务提供商租用的频谱数量。首先，我们对多尺度DSA的最新进展和发展进行分类。然后，我们在软件定义的异构网络（SDN）中开发一个基于定价的多尺度DSA方案，并阐述各自的技术优势。接下来，提出了方案的四个典型应用场景来展示潜在的好处，并通过案例研究验证了可行性。具体过程如下：1)为了充分表示SDN中多尺度DSA的优势，我们提出了一个如图1所示的框架，该框架包括由主要服务提供商拥有的许可主基站（PBSs），次要服务提供商拥有的非许可辅助基站（SBSs）和集中式频谱代理商。每个实体的具体作用和功能解释如下。·PBS是一个固定的基础设施网络组件，拥有许多许可的频段，并为PU提供连接服务。·SBS还是一个固定的基础设施网络组件，通过向PBS租用频谱接入许可证来为其SU提供服务。•频谱代理商是一个中央网络实体，可被视为SDN控制器的扩展。具体来说，频谱中介维护HetNets的全球信息，负责不同SBS间的频谱共享。这种异构网络环境下基于定价的多尺度DSA方案的设计原则总结如下：•微观尺度：由于SBS与频谱代理商之间存在的固有延迟可能会导致更长的响应时间，对于每个SBS的定价和频谱分配决策应当基于一些瞬时信息（如瞬时信道条件，干扰电平，传输速率要求等）。价格激励用户调整频谱使用行为，这可以通过探索基于优化的方法，或者博弈论的理论方法，或者二者的结合来开发。•宏观尺度：根据每个SBS的频谱需求，在集中频谱中介方面做出每个SBS可以租用多少频谱的决定。可用频谱总量与实际用户需求之间的差距可用作反馈来控制小区间频谱协调。此外，在宏小区DSA的优化过程中，频谱共享产生的小区间干扰不能再被忽略，对于多个SBS共存，应该维持在一定的阈值以下。2)通过使用拍卖方法可以展示SDN中多尺度DSA的最优定价策略的示例，其概念结构如图1所示。在微观尺度上，我们假设频谱通过时频资源块(RB)分配给SU，如果聚合干扰低于PU的可容忍阈值，则每个都可以被随机性地利用。而且，每个SU可以在多个RB上运行，以实现更高的频谱效率。SBS与PBS签订合同，租用N个RB的频谱接入许可证来服务其SU。每个RB的带宽是B0。此外，在SBS的覆盖范围内存在具有数据速率受限要求为rk的K个SU，其中k∈{1,2,···,K}。SU监视每个RB上的使用情况。如果在RB上检测到PU有效，则SU的上行链路传输功率和数据速率都受到PBS容忍限度内干扰的约束，并且下行链路数据速率受到从PBS所接收到的干扰的影响。也就是说，通过随机重用RB实现的SU总吞吐量在很大程度上取决于随时间快速变化的信道条件。SBS间干扰在控制器上集中协调，因此可以忽略来自相邻SBS的干扰并将来自相邻SBS的干扰保持在规定的阈值以下。令pu和pl分别表示SBS和PBS中每个RB上的允许发射功率；和分别表示从SBS和PBS到RBn上的SUk的信道增益；σ2是背景噪声功率。pl是在PBS中的每个RB上分配的允许的发射功率。占据第n个RB的第k个SU的数据速率为则RBn的最高出价为具有最高出价的SUk*赢得使用RBn权利的可能性，并支付与第二高出价的价格，由μn表示为3)图2显示了将所有租赁的RB分配给SU的步骤。首先，将所有租赁的RB合并为一个RB库，然后逐一分配给一个拍卖赢家，直到库变空。同样地，所有SU由SU库管理，从其中逐一取出SU，它们需要被分配足够的RB以满足其数据速率需求rk，即式中，xk,n是RB分配指示符。如果RBn被分配给了SUk，则xk,n为1，否则xk,n为0。在宏观层面上，为频谱中介设计了一种反馈控制机制，可以根据大本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种异构网络环境下的多尺度动态频谱分配(DSA)方案，为解决频谱危机提供了可靠的解决方案，其特征在于：1）在微观尺度上，基于实时用户需求制定小时标的频谱分配定价策略；2）在宏观尺度上，所达到的和所需的平均传输速率之间的差值被用作反馈信号，以便根据业务需求的大时标变化实现小区间频谱协调。

【技术特征摘要】
1.一种异构网络环境下的多尺度动态频谱分配(DSA)方案，为解决频谱危机提供了可靠的解决方案，其特征在于：1）在微观尺度上，基于实时用户需求制定小时标的频谱分配定价策略；2）在宏观尺度上，所达到的和所需的平均传输速率之间的差值被用作反馈信号，以便根据业务需求的大时标变化实现小区间频谱协调。2.如权利要求1步骤1），在微观尺度上，基于实时用户需求制定小时标的频谱分配定价策略，其特征在于，频谱通过时频资源块（RB）分配给SU，如果聚合干扰低于PU的可容忍阈值，则每个都可以被随机性地利用，而且，每个SU可以在多个RB上运行，以实现更高的频谱效率：1）SBS与PBS签订合同，租用N个RB的频谱接入许可证来服务其SU，此外，在SBS的覆盖范围内存在具有数据速率受限要求的个SU，占据第n个RB的第k个SU的数据速率为为每个RB的带宽；和分别表示SBS和PBS中每个RB上的允许发射功率；和分别表示从SBS和PBS到上的的信道增益；表示背景噪声功率；是在PBS中的每个RB上分配的允许的发射功率，则的最高出价为，具有最高出价的赢得使用权利的可能性，并支付与第二高出价的价格，由表示为2）将所有租赁的RB分配给SU的步骤：①将所有租赁的RB合并为一个RB库，然后逐一分配给一个拍卖...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈亚鹏，周振宇，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京,11